Aula Características da Chama

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Características da chama
José Pedro Pereira Júnior& Adilson Rodrigues
Laboratório de Ensaio de Motores - LEM
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IGNIÇÃO
Três coisas devem estar presentes ao mesmo tempo 
a fim de produzir fogo:
Oxigênio suficiente para promover a combustão,
Calor suficiente para elevar a temperatura do material até à sua temperatura de ignição,
Combustível ou material combustível que produz alta reação exotérmica para propagar o calor para o material ainda não-queimado nas suas proximidades
, 
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IGNIÇÃO
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Limites de inflamabilidade
Definição:
Condições nas quais a combustão da mistura oxidante combustível permite a propagação de uma chama estável.
Propagação de chama
Mistura A/C dentro limites de inflamabilidade
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Limites de inflamabilidade
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C/A
T(K)
LS
LI
EST.
Tmin
Mistura inflamável
Auto ignição
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Limites de inflamabilidade
Limites inferior e superior
São obtidos experimentalmente;
Dependem das condições de entrada:
Razão A/C;
Temperatura;
Pressão;
Umidade;
Tipo de combustível (sólido, líquido, gasoso).
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Limites de inflamabilidade
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O amplo intervalo de inflamabilidade do H2 diz que é mais fácil obter mistura inflamável desse gás com ar (0,017 mJ) no entanto, a sua temperatura de autoignição é muito maior do que dos restantes gases. No metano e propano esse intervalo é estreito levando um longo período de tempo até que uma fonte consiga ignizar-se e explodir a mistura. 
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Ponto Ignição vs Ponto de Fulgor
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Temperatura de autoignição (ponto de ignição) é a temperatura mínima em que ocorre uma combustão independente de uma fonte de ignição (chama ou centelha), quando o simples contato do combustível com o O2 é suficiente para que haja a reação.
Ponto de Fulgor é a menor temperatura na qual um combustível libera vapor em quantidade suficiente para formar uma mistura inflamável por uma fonte externa de calor
Combustível
Ponto de Fulgor
Auto-ignição
Etanol (70%)
16.6 °C (61.88 °F)2
363 °C (685.40 °F)2
Gasolina
-42,8 °C (-45 °F)
246 °C (495 °F)
Diesel
>38 °C (101 °F)
210 °C (410 °F)
Querosene de Aviação
>60 °C (140 °F)
210 °C (410 °F)
Querosene (Óleo de parafina)
>38°–72 °C (100°–162 °F)
220 °C (428 °F)
Óleo vegetal (canola)
327 °C (620 °F)
Biodiesel
>130 °C (266 °F)
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Temperatura de autoignição, ponto de autoignição, ou ainda simplesmente ponto de ignição, é a temperatura mínima em que ocorre uma combustão, independente de uma fonte de ignição, como uma chama ou faísca, quando o simples contato do combustível (em vapor, por exemplo), em contato com o comburente já é o suficiente para estabelecer a reação.
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Limites de inflamabilidade
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Maior intervalo de Inflamabilidade
 + fácil obter mistura inflamável, 
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Energia de Ativação
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Energia mínima que os reagentes precisam para que se inicie a reação química. Esta energia mínima é necessária para a formação do complexo ativado. 
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Energia de Ativação
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Onde:
 
REAÇÃO EXOTÉRMICA – ΔH < 0, HP < HR, reação negativa 
 
 
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A queima de combustíveis fósseis produz > 2/3 da produção de energia hoje e provavelmente continuará por mais um século. 
A combustão é encontrado em muitos sistemas, tais como: caldeiras, aquecedores, fornos domésticos e industriais, usinas térmicas, incineradores de resíduos, motores automotivos e aeronáuticos, motores de foguetes e até mesmo em instalações de refrigeração.
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Processos de combustão
Pressão constante (queimadores industriais e turbinas a gás);
Volume constante (motores de combustão interna);
Pressão e volume variável (processos reais).
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As Chamas podem ser:
 
pré-misturada, não pré-misturada (difusa) ou parcialmente pré-misturado - como combustível e oxidante são misturados
laminar ou turbulento - a forma do fluxo de fluido
estável ou instável em termos de manutenção dos fenômenos de combustão
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As Chamas podem ser:
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Tubo bunsen
Câmara combustão turbina a gás
Câmara de combustão de queimador
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Tipos de chama
Chama de pré-mistura
Laminar;
Turbulenta.
Chama de difusão
Laminar;
Turbulenta.
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Chama Pré-misturada vs Difusa
Chama Pré-misturada – combustível e oxidante são misturados antes que a reação tenha lugar figura a).
Chama Difusa – combustível e oxidante entra na zona de reação separadamente.
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Chama Laminar vs Turbulenta
O número de Re (Reynolds) define se uma chama é turbulenta ou laminar. 
Normalmente chamas turbulentas levam a fluxos instáveis que aumentam a intensidade da combustão e permite concepção de queimadores menores.
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Chama Estável vs Instável
Uma chama pode apresentar fortes movimentos periódicos instáveis (instabilidade de combustão) devido às ligações de acústica, hidrodinâmica e liberação de calor.
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Tipos de chama
Chama de pré-mistura
O combustível e o oxidante são uniformemente misturados previamente antes de entrar na zona de reação.
Elas propagam-se em direção aos gases frescos por mecanismos de difusão e reação. O calor liberado pela reação pré-aquece os reagentes por difusão até que a reação aconteça (elevação exponencial das taxas de reação com a temperatura).
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Tipos de chama
Chama de pré-mistura
Chama pré-misturada laminar que propaga-se relativamente aos gases frescos denomina-se por velocidade de chama laminar, S1, depende dos reagentes, da temperatura dos gás fresco e pressão.
Normalmente S1 situa-se entre 0,1 a 1m/s
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Tipos de chama
Chama de pré-mistura
Quando gases frescos são turbulentos, a chama pré-misturada propaga mais rápido. A sua velocidade de ST é chamada a velocidade da chama turbulenta e é maior do que a velocidade da chama laminar (ST >> S1).
 
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Tipos de chama
Chama de pré-mistura
Para chamas típicas, a espessura chama, incluindo zona de pré-aquecimento, é cerca de 0,1 a 1 milímetro Considerando que a própria zona de reação é dez vezes mais fino. Nesta figura, o oxidante é assumida para estar em excesso. 
Há correlação entre a ST, S1 e a intensidade de turbulência do fluxo de u 'de entrada:
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Tipos de chama
Chama de pré-mistura
Onde α e n são dois parâmetros do modelo na ordem de uma unidade. Infelizmente ST não é fácil de ser determinado, depende de vários parâmetros (características químicas, geometria do fluxo etc) 
Essa equação sendo uma observação experimental mostra que a velocidade da chama turbulenta, ST aumenta com a intensidade da turbulência, u´.
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Tipos de chama
Chama de pré-mistura
Como os reagentes já são misturados antes da combustão, as Chamas pré-misturadas oferecem alta eficiência de queima. 
A temperatura de gases queimados que desempenha um papel importante na formação de poluentes pode ser facilmente controlada pela quantidade de combustível injetado nos gases frescos.
Estas chamas podem ser difíceis de projetar porque reagentes devem ser misturados em proporções bem definidas (misturas de combustível / oxidante queimam apenas num número limitado de fração
de massa de combustível). 
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Tipos de chama
Chama de pré-mistura
Problemas de segurança podem acontecer porque a chama pré-misturada pode desenvolver-se mais rapidamente que os reagentes são misturados.
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Tipos de chama
Chama de difusão
Os reagentes são introduzidos separadamente na zona de reação.
Exemplo de uma descarga de combustível de um jato em ar atmosférico. A chama difusa é mais seguro pois, a chama não se propaga em direção ao fluxo de combustível porque não contém oxidante e vice versa.
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Tipos de chama
Chama de difusão
É menos eficiente porque o combustível e o oxidante devem misturar por difusão molecular antes da queima.
A temperatura máxima dos gases de combustão é dada pela temperatura da queima do combustível e oxidante em proporções estequiométricas e não é fácil de ser controlado.
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Tipos de chama
Chama de difusão
Estrutura de uma chama difusa uni-dimensional laminar onde os fluxos de combustível e oxidante possuem a mesma temperatura.
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Tipos de chama
Chama de difusão
Chama de Difusão TURBULENTA é usada para melhorar os processos de combustão. Ela é função da taxa de fluxo de combustível, como pode-se verificar na descarga da queima de um jato de combustível no ar ambiente (figura ao lado).
O comprimento da chama aumenta linearmente com a velocidade de fluxo de combustível, desde que o fluxo continua a ser laminar
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Tipos de chama
Chama de difusão
Quando o jacto torna-se turbulento, o comprimento da chama continua a ser constante, mesmo quando o caudal aumenta, indicando um aumento da intensidade de combustão. 
Vazões muito grandes levará a chamas levantadas (a chama não é mais ancorado até a saída do jato) que em seguida se expandem.
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Tipos de chama – DIFUSÃO
Difusão de gases
 - Injeção forçada de um duto central do gás e ar injetado lateralmente apenas por convecção natural
Diferentes queimadores:
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Chama de jato simpes – simple jet flames
Chama de jatos pilotados - Piloted jet flames
Bluff body
Swirl-stabilized flames – chama em redemoinhos 
Tipos de chama
Chama de Parcialmente Pré-misturada
Chama Pré-misturada e por Difusão correspondem a situações idealizadas.
 
Em aplicações práticas, combustível e oxidante não podem ser pré-misturadas perfeitamente. 
Em algumas situações, uma pré-mistura imperfeita é produzido com o propósito de reduzir o consumo de combustível (em direção a pré-misturada) e reduzir as emissões de poluentes (em direção a difusão).
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Tipos de chama
Chama de Parcialmente Pré-misturada
Motores de combustão interna com carga estratificada com ignição por centelha, a injeção de combustível é ajustado para produzir uma mistura quase-estequiométrica na vizinhança da centelha de ignição, mas o resto da mistura no cilindro é pobre. 
Em chamas Difusas, combustível e oxidante devem atender a uma queima que garanta a estabilização da chama em zonas parcialmente pré-misturadas. 
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Tipos de chama
Chama de Parcialmente Pré-misturada
Uma pequena chama pré-misturada e estabilizada desenvolve uma chama de difusão, conforme a figura abaixo.
 Figura: Estrutura de uma chama tripla. A chama é estabilizada por uma chama pré-misturada de forma imperfeita (parcelas ricas e pobre de chama pré-misturada). A chama de difusão desenvolve a jusante.
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Chama Estável e Instável: 
Instabilidades de termodifusão
Chamas pré-misturadas laminares apresentam instabilidades intrínsecas dependendo da importância relativa da difusão molecular reagente e difusão de calor. 
Quando Le > 1, implica que a difusividade térmica é menor que a de massa (molecular)
 
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Chama Estável e Instável: Instabilidades de termodifusão
Esboço de instabilidades termo-difusão (em chamas pré-misturadas laminar). Para Le < 1, a difusão molecular (setas vermelhas) > difusão de calor (setas azuis) e do enrugamento da frente de chama é reforçada por velocidades de chama diferenciais (figura à esquerda). 
Para Le > 1 (figura à direita), e uma chama planar estável é obtido em que a difusão molecular (setas azuis) < difusão de calor (setas vermelhas) 
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Chama Estável e Instável: Chama e Interação acústica
 
Alterando a razão de F/A (isto é, a quantidade de combustível na corrente de ar) conduz a uma instabilidade forte: grandes vórtices em formato de cogumelos são formados a uma frequência de 530 Hz, o aumento da intensidade de combustão de cerca de 50%.
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Chama Estável e Instável: Chama e Interação acústica
 
Um vórtice é gerado na entrada do jacto de convecção a jusante. Isso induz uma velocidade de reacção instável, produzindo uma onda acústica em movimento a montante para gerar um novo vórtice na entrada do queimador.
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